KR101091317B1 - 태양전지 제조용 롤투롤 장치 - Google Patents

태양전지 제조용 롤투롤 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 CIGS계 태양전지 제조에 사용되는 롤투롤 장치에 관한 것으로서, 가요성 있는 기판을 연속적으로 이송시킬 수 있는 롤투롤유닛이 내장된 단일챔버와 상기 기판에 광흡수층을 순차적으로 연속 증착시키는 스퍼터유닛 및 상기 기판에 셀렌(Se)을 증착시키는 이베퍼증착부로 구성하되, 상기 롤투롤유닛과 스퍼터유닛 및 이베퍼증착부를 하나의 단일챔버에 일체화되도록 설치함으로써, 구리(Cu), 인듐(In), 및 갈륨(Ga)의 스퍼터 증착 및 셀렌(Se) 증착이 하나의 단일챔버 내에서 연속적으로 수행될 수 있게 하여 공정 시간 단축은 물론 공정 수율을 증대시킬 수 있을 뿐 아니라, 콤팩트한 설비의 구현으로 인한 비용 절감과 유지보수가 용이한 태양전지 제조용 롤투롤 장치에 관한 것이다.
기판, 태양전지, 스퍼터

Description

태양전지 제조용 롤투롤 장치{Roll-to-Roll apparatus for manufacturing solar cell}
본 발명은 CIGS계 태양전지 제조에 사용되는 롤투롤 장치에 관한 것으로서, 기판을 연속적으로 권출 및 권취할 수 있는 롤투롤유닛과 스퍼터유닛 및 이베퍼증착부를 하나의 단일챔버 내에 일체화함으로써, 상기 기판에 수행되는 구리(Cu), 인듐(In), 및 갈륨(Ga)의 스퍼터 증착과 셀렌(Se) 증착이 단일챔버 내에서 연속적으로 이루어질 수 있게 하여 공정 시간 단축과 공정 효율 향상을 얻을 수 있을 뿐 아니라, 설비 비용을 절감할 수 있는 태양전지 제조용 롤투롤 장치에 관한 것이다.
일반적으로 태양전지(Solar Cell)는 빛 에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 반도체 소자의 하나로서, 다결정(poly crystal) 및 단결정(single crystal) 실리콘 태양전지 또는 비정질 실리콘 태양전지와 같은 실리콘계 태양전지와 화합물 반도체 태양전지 등으로 크게 분류된다.
상기와 같은 태양전지는 전력 생산을 위해 다수개의 모듈(module)과 태양전지 패널(panel)로 구성되는 태양전지 어레이(array)를 구성함으로써, 전기 에너지 를 발전하게 되는 것이다.
일반적으로 실리콘계 태양전지는 실리콘 웨이퍼(silicon wafer)를 가공하여 전자(electron)와 정공(hole)이 각각 구비되는 다른 극성의 N(negative)형 반도체 및 P(positive)형 반도체를 접합시키고 전극을 형성함으로써, P-N접합에 의한 태양광 발전의 원리를 이용하여 빛 에너지에 의한 전자의 이동을 통해 전기 에너지를 생산하는 광전지이다.
한편 화합물 반도체 태양전지의 하나로서 CIGS계 태양전지는 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga), 셀렌(Se) 등의 원소로 이루어지는 광흡수계수가 높은 광흡수층을 유리(glass) 또는 고분자 폴리머(polymer) 등의 기판상에 증착하여 전기에너지를 생산하게 되는 태양전지로서, 두께 1~2㎛의 박막으로도 고효율의 태양전지 제조가 가능하며, 또한 우수한 전기, 광학적 안정성으로 인해 이상적인 광흡수층을 형성할 수 있어 저가, 고효율의 태양전지 재료로 연구되어 지고 있다.
상기와 같은 화합물 반도체 태양전지는 일반적으로 기판상에 배면전극, 광흡수층, 버퍼층, 투명전극층, 반사방지막, 및 그리드 등의 박막층이 적층 형성됨으로써, 하나의 단위 박막을 형성하기 때문에 상기 박막층을 형성하기 위한 스퍼터 증착 공정이나 이베퍼 증착 공정 등 다수의 처리 공정을 통해 제조된다.
따라서 종래의 태양전지 제조 공정은 상기와 같은 박막층을 형성시키기 위한 진공챔버, 스퍼터유닛, 이베퍼유닛 등 다수의 증착 장비 등이 사용되고, 또한 이외에도 세정장비, 건조장비, 가열장비 등 다수의 공정 수행 장비에 의해 이루어지게 되는 것이다.
그러나 종래의 태양전지 제조공정은 다음과 같은 문제점들이 있었다.
첫째, 상기와 같은 스퍼터 증착 공정이나 이베퍼 증착 공정 등이 별도의 챔버에서 개별적으로 수행됨으로써, 기판의 이동거리가 연장될 뿐 아니라, 공정 속도 저하에 따른 공정 효율 감소는 물론 공정 수율 또한 현저히 떨어지는 문제점이 있었고, 둘째, 단순 구조의 상향 증발식 이베퍼유닛 설비를 사용하기 위해서는 기판의 증착면이 하측을 향하도록 기판을 뒤집어 이송해야 하기 때문에 추가적인 기판 반전설비가 필요하게 되며, 셋째, 각 공정을 수행하기 위한 다수의 진공챔버를 각각 구비해야될 뿐 아니라, 증착 장비 또한 별도 챔버에 각각 설치됨으로써, 진공펌프 등과 같은 유사 장비의 공용화가 곤란할 뿐 아니라, 설비 비용이 증가되는 것은 물론 유지보수 또한 용이하지 않게 되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 기판을 이송하는 롤투롤유닛과 스퍼터유닛 및 이베퍼유닛을 하나의 단일챔버에 일체화함으로써, 광흡수층 증착 공정이 하나의 챔버에서 연속적으로 수행될 수 있게 하여 공정 시간 단축과 공정 효율의 증대를 얻고자 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 롤투롤유닛을 이용하여 단순 구조의 상향 증발식 이베퍼유닛을 간편하게 적용할 수 있게 하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 다수의 스퍼터유닛과 이베퍼유닛이 일체화된 단일챔버를 구성함으로써, 진공펌프 등과 같은 유사 장비의 공용화가 용이할 뿐 아니라 콤팩트한 설비의 구현을 통해 설비 비용 절감은 물론 유지보수가 용이한 태양전지 제조용 롤투롤 장치를 제공하고자 하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 가요성 있는 기판을 일측에서 연속적으로 권출하고 타측에서 권취할 수 있도록 언와인더롤과 리와인더롤이 구비되는 롤투롤유닛과, 상기 롤투롤유닛 전체가 내장되도록 구비되는 하나의 단일챔버와, 상기 기판의 상부면과 대향되도록 상기 단일챔버에 설치하되 상기 기판에 광흡수층이 순차적으로 증착될 수 있도록 기판의 이송방향을 따라 이격되어 배열 설치되는 스퍼터유닛, 및 상기 증착 완료 후 연속적으로 상기 기판에 셀렌을 적층시킬 수 있 게 상기 단일챔버에 내설되는 이베퍼증착부를 포함하여 구성된다.
본 발명의 상기 롤투롤유닛은 상기 언와인더롤과 리와인더롤이 상기 단일챔버 내의 일측부에 설치되게 하되, 상기 기판이 상기 단일챔버의 타측부로 이동하는 순방향이송부와 되돌아오는 역방향이송부가 형성되도록 가이드롤러가 설치될 수 있다.
이때 상기 순방향이송부의 하방에 상기 역방향이송부가 배치되는 것이 바람직하다.
한편 본 발명의 상기 스퍼터유닛은 상기 순방향이송부의 기판 상부면과 대향되도록 상기 단일챔버 상측부에 이격 설치될 수 있다.
또한 상기 이베퍼증착부는 상기 단일챔버의 하측부에 설치되어 상기 역방향이송부의 기판상에 상기 셀렌이 상향 증발되어 증착되게 할 수 있다.
또 상기 스퍼터유닛은 구리, 인듐, 갈륨 중 어느 하나 또는 둘 이상을 스퍼터타켓으로 구비할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 첫째, 광흡수층 형성을 위한 스퍼터 증착 공정과 이베퍼 증착 공정이 하나의 챔버에서 연속적으로 수행됨으로써, 공정 시간 단축은 물론 공정 효율의 증대를 통해 생산성을 현저히 향상시킬 수 있는 효과가 있고, 둘째, 다수의 스퍼터유닛과 이베퍼유닛이 일체화된 단일챔버를 구성함으로써, 콤팩트한 설비의 구현 및 유지보수가 용이하여 태양전지 제조 단가를 절감 할 수 있는 효과가 있다.
이하 본 발명에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 CIGS계 태양전지 제조용 롤투롤(roll-to-roll) 장치의 개략적인 구성도를 나타낸 것이다.
본 발명은 CIGS계 태양전지의 광흡수층을 기판상에 적층 형성하기 위한 것으로서, 기판 표면에 구리(Cu), 인듐(In), 구리갈륨(Cu/Ga) 및 셀레나이드 화합물을 순차적으로 증착하여 태양전지의 광흡수층인 CIGS 박막을 형성하는 롤투롤 장치이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 태양전지 제조용 롤투롤 장치는 롤투롤유닛(10), 단일챔버(20), 스퍼터유닛(60), 및 이베퍼증착부(80)로 구성된다.
롤투롤유닛(10)은 가요성(flexible) 있는 기판(100)을 연속적으로 이송 가능하도록 단일챔버(20) 내에 회전 가능하게 설치되는 것으로서, 언와인더롤(11)과 리와인더롤(15)로 구성된다.
언와인더롤(11)은 외주면에 권취되어 있는 기판(100)을 연속적으로 권출하여 리와인더롤(15)로 송출하는 부분이며, 리와인더롤(15)은 언와인더롤(11)로부터 권출된 후 증착 공정이 완료된 기판(100)을 다시 연속적으로 외주면에 권취시키는 역할을 하는 것이다.
이때 언와인더롤(11)과 리와인더롤(15)은 공정 환경이나 조건에 따라 적정 직경을 가지는 금속(metal) 소재의 롤러로 각각 구성될 수 있으며, 별도로 설치되는 구동수단(도시하지 않음)에 의해 일정 속도로 기판(100)을 연속적으로 이송시키게 되는 것이다.
또한 언와인더롤(11)은 공정상 필요시 기판(100)을 예열시킬 수 있는 가열수단(도시하지 않음)이 설치될 수 있다.
이때 가열수단은 통상적인 히팅라인이 사용될 수 있으며, 언와인더롤(11)의 내부에 배열 설치할 수 있을 것이다.
한편 언와인더롤(11)과 리와인더롤(15)은 단일챔버(20) 내의 양측부에 서로 마주보도록 대향되게 각각 설치하고, 스퍼터유닛(60)과 이베퍼증착부(80)를 단일챔버(20) 상측부에 모두 배열 설치할 수도 있으나, 이베퍼증착부(80)는 셀렌(Se)을 증발시켜 기판(100)상에 증착시키는 특성상 단일챔버(20) 상측부에 설치되는 경우에는 증발된 셀렌 기체를 기판(100) 상부면으로 하향 수송하기 위한 캐리어 가스 등이 필요하게 되어 구조가 복잡해지는 단점이 있다.
따라서 본 발명은 간단한 구조의 상향 증발식 이베퍼증착부(80) 적용이 가능하도록 도시된 바와 같이 언와인더롤(11)과 리와인더롤(15)을 하나의 단일챔버(20)의 일측부에 인접되도록 설치하고, 타측부에는 별도의 가이드롤러(13)를 다수개 설치하여 기판(100)이 가이드 되도록 할 수 있다.
이때 기판(100)은 단일챔버(20) 내에서 화살표와 같이 순방향이송부(110)와 역방향이송부(120)를 형성하게 되며, 이때 이베퍼증착부(80)는 단일챔버(20) 하측부의 역방향이송부(120)에 설치됨으로써, 본 발명은 기판(100)을 별도의 반전설비 를 이용하여 뒤집지 않고도 단순 구조의 상향 증발식 이베퍼증착부(80)의 적용이 가능하게 되는 것이다.
여기서 기판(100)의 순방향이송부(110)와 역방향이송부(120)는 평행하게 형성되는 것이 바람직하다.
또한 롤루롤유닛(10)은 가이드롤러(13)를 다양한 위치에 배치하여 기판(100)의 이송 경로를 단일챔버(20) 내에서 다양하게 형성함으로써, 스퍼터유닛(60)에 구비되는 스퍼터타겟(35,45,55)을 기판(100)의 이송 위치에 따라 다양하게 배치시킬 수 있는 용이성을 확보할 수 있게 되는 것이다.
한편 롤투롤유닛(10)에는 이송되는 기판(100)의 저면을 지지할 수 있게 기판 지지대(12)가 설치될 수 있다.
기판(100)은 가요성을 가지는 플라스틱 소재인 고분자 폴리머(polymer)나 또는 메탈(metal) 소재로서 박판 형태의 SUS 강판이 사용될 수 있다.
한편 단일챔버(20)는 공정 수행시 내부 환경을 1.0E-6 ~ 1.0E-7 Torr 정도의 고진공을 유지하게 된다.
따라서 단일챔버(20)는 저진공펌프(21)와 고진공펌프(22)가 각각 설치되고, 또한 이에 대응되게 내부 환경의 진공도를 측정할 수 있는 저진공게이지(25)와 고진공게이지(26)가 설치됨으로써, 내부를 저진공에서 고진공으로 순차적으로 형성하여 적정한 진공도를 유지하게 된다.
한편 스퍼터유닛(60)은 기판(100) 표면상에 구리(Cu), 인듐(In), 및 구리갈륨(Cu/Ga)을 스퍼터링 증착시키는 것으로서, 상기와 같은 원소를 각각 스퍼터타 겟(35,45,55)으로 구비하는 제1,제2,제3스퍼터건(30,40,50)으로 구성된다.
제1,제2,제3스퍼터건(30,40,50)은 단일챔버(20) 상측부에 설치하되, 스퍼터타겟(35,45,55)이 기판(100)의 상부면과 대향되도록 이격 설치되며, 광흡수층이 기판(100)상에 순차적으로 증착될 수 있도록 기판(100)의 이송방향을 따라 이격되도록 배열 설치된다.
따라서 스퍼터유닛(60)의 제1,제2,제3스퍼터건(30,40,50)은 기판(100)의 순방향이송부(110)에 설치되어 기판(100)의 상부면과 서로 마주보도록 구비되는 것이다.
한편 제1,제2,제3스퍼터건(30,40,50)의 전원(POWER)(31,41,51)은 DC(직류 전원) 또는 RF(고주파 전원)가 사용될 수 있으며, 각각의 스퍼터타겟(35,45,55)이 음극(캐소드:cathode)을 형성하게 된다.
또한 제1,제2,제3스퍼터건(30,40,50)에는 냉각수를 순환시킬 수 있는 냉각라인(33,43,53)이 각각 설치되며, 스퍼터타겟(35,45,55)의 하측면에 플라즈마(70)(도3에 도시함)를 형성시키기 위해 아르곤(Ar)과 같은 불활성 가스를 공급하는 가스공급라인(37,47.57)이 설치된다.
따라서 스퍼터유닛(60)은 이송되는 기판(100)의 상부면에 구리(Cu), 인듐(In), 및 구리갈륨(Cu/Ga)을 증착시키게 되는 것이다.
여기서 스퍼터유닛(60)은 구리(Cu), 인듐(In), 및 구리갈륨(Cu/Ga)을 각각 스퍼터타겟(35,45,55)으로 하는 다수의 제1,제2,제3스퍼터건(30,40,50)으로 한정되는 것은 아니며, 하나의 타겟이 상기 원소들을 복합적으로 포함함으로써, 'CI(구리 -인듐)'나 'CIG(구리-인듐-갈륨)' 등 다양한 형태의 조합으로 구성될 수도 있을 것이다.
한편 이베퍼증착부(80)는 셀렌(Se)을 진공 증발시켜 기판(100)의 상부면에 증착시키는 것으로서, 기판(100)의 역방향이송부(120) 하측부에 위치하도록 단일챔버(20)의 내측 하부에 설치된다.
도 2는 이베퍼증착부(80)의 개략적인 사시도를 나타낸 것이다.
이베퍼증착부(80)는 도시된 바와 같이, 상부가 개방되고 일정 깊이를 가지는 저장용기(82) 내에 셀렌입자(200)가 투입되며, 투입된 셀렌입자(200)는 일정온도(약 300℃)로 가열 증발되고, 이때 증발된 셀렌 기체가 상 방향으로 이동하여 기판(100)상에 증착되게 하는 것이다.
이때 저장용기(82)의 하측부에는 셀렌입자(200)를 가열시키기 위한 가열수단(85)이 설치된다.
가열수단(85)은 통상적인 히팅라인이 배열 설치될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 레이저를 이용하여 셀린입자(200)를 가열 증발시킬 수도 있을 것이다.
따라서 기판(100)은 역방향이송부(120)를 통과할 때 상부면에 셀렌이 증착되는 것이다.
이하 도 3과 도 4를 참조하여 본 발명의 광흡수층 증착과정을 설명한다.
도 3은 스퍼터유닛(60)의 증착 과정을 도시한 작동상태도이고, 도 4는 본 발명의 광흡수층 형성과정의 플로우차트이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 광흡수층 형성과정은 기판 권출(S10), 구리(Cu) 증착(S20), 인듐(In) 증착(S30), 구리/갈륨(Cu/Ga) 증착(S40), 셀렌(Se) 이베퍼레이션(evaporation)(S50), 및 기판 권취(S60) 과정을 통해 이루어진다.
기판 권출(S10)은 언와인더롤(11)의 회전에 의해 기판(100)이 연속적으로 권출되어 순방향이송부(110)를 따라 이송되며, 이때 기판(100)은 제1,제2,제3스퍼터건(30,40,50)에 의해 구리(Cu), 인듐(In), 및 구리/갈륨(Cu/Ga) 원소가 상부면에 증착된다.
즉 구리(Cu) 증착(S20), 인듐(In) 증착(S30), 구리/갈륨(Cu/Ga) 증착(S40) 공정은 스퍼터유닛(60)에 의해 순차적으로 또는 동시에 기판(100)상에 박막층을 형성하게 되는 것이다.
여기서 제1,제2,제3스퍼터건(35,45,55)은 도 3에 도시된 바와 같이, 반응가스를 스퍼터타겟(35,45,55) 둘레를 따라 하향 분사시키게 되고, 분사된 반응가스는 고전압에 의해 기판(100) 상부면에서 플라즈마(70) 상태로 변환된다.
이때 플라즈마(70) 상태에서의 플러스(+) 이온은 음극(캐소드, cathode)을 형성하는 각각의 스퍼터타겟(35,45,55)으로 가속되어 충돌하게 되며, 상기 충돌에 의해 각 스퍼터타겟(35,45,55)의 구리(Cu), 인듐(In), 및 구리/갈륨(Cu/Ga)의 원소가 외부로 튀어 나와 기판(100) 상부면에 증착되는 것이다.
한편 셀렌(Se) 이베퍼레이션(evaporation)(S50)은 이베퍼증착부(80)에 구비된 저장용기(82) 내의 셀렌입자(200)를 가열시켜 상향 증발시킴으로써, 역방향이송부(120)의 기판(100) 상부면에 셀렌을 증착시키게 되는 것이다.
상기와 같이 광흡수층의 증착이 완료된 기판은 리와인더롤(15)에 의해 다시 회수됨으로써, 최종적으로 기판 권취(S60) 공정이 수행되는 것이다.
이때 리와인더롤(15)에는 증착된 광흡수층의 안정화를 위해 기판(100)을 열처리하는 가열수단(도시하지 않음)이 설치될 수도 있을 것이다.
따라서 본 발명은 기판(100)을 이송하는 롤투롤유닛(10)과 스퍼터유닛(60) 및 이베퍼증착부(80)를 하나의 단일챔버(20)에 일체화함으로써, 광흡수층의 형성 공정이 하나의 챔버에서 연속적으로 수행될 수 있게 되어 공정 시간 단축과 공정 효율의 증대를 얻을 수 있게 되고, 또한 단순 구조의 상향 증발식 이베퍼증착부(80)를 적용할 수 있게 되어 설비 비용 절감 및 생산성을 향상시킬 수 있게 되는 것이다.
이상, 상기의 실시 예는 단지 설명의 편의를 위해 예시로서 설명한 것에 불과하므로 특허청구범위를 한정하는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 태양전지 제조용 롤투롤 장치의 개략적인 구성도,
도 2는 도 1의 이베퍼증착부의 개략적인 사시도,
도 3은 본 발명의 스퍼터유닛의 작동상태도,
도 4는 본 발명의 광흡수층 형성 과정의 플로우차트이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 롤투롤유닛 11 : 언와인더롤
12 : 지지대 13 : 가이드롤러
15 : 리와인더롤 20 : 단일챔버
21 : 저진공펌프 22 : 고진공펌프
25 : 저진공게이지 26 : 고진공게이지
30 : 제1스퍼터건 40 : 제2스퍼터건
50 : 제3스퍼터건 31,41,51 : 전원
33,43,53 : 냉각라인 35,45,55 : 스퍼터타겟
37,47,57 : 가스공급라인 60 : 스퍼터유닛
70 : 플라즈마 80 : 이베퍼증착부
82 : 저장용기 85 : 가열수단
100 : 기판 110 : 순방향이송부
120 : 역방향이송부 200 : 셀렌입자
S10 : 기판 권출 S20 : 구리 증착
S30 : 인듐 증착 S40 : 구리/갈륨 증착
S50 : 셀렌 이베퍼레이션 S60 : 기판 권취

Claims (6)

  1. 가요성 있는 기판을 일측에서 연속적으로 권출하고 타측에서 권취할 수 있도록 언와인더롤과 리와인더롤이 구비되는 롤투롤유닛;
    상기 롤투롤유닛 전체가 내장되도록 구비되는 하나의 단일챔버;
    상기 기판의 상부면과 대향되도록 상기 단일챔버에 설치하되, 상기 기판에 광흡수층이 순차적으로 증착될 수 있도록 기판의 이송방향을 따라 이격되어 배열 설치되는 스퍼터유닛; 및
    상기 증착 완료 후 연속적으로 상기 기판에 셀렌을 적층시킬 수 있게 상기 단일챔버에 내설되는 이베퍼증착부;를 포함하여 구성하되,
    상기 롤투롤유닛은,
    상기 언와인더롤과 리와인더롤이 상기 단일챔버 내의 일측부에 설치되게 하되, 상기 기판이 상기 단일챔버의 타측부로 이동하는 순방향이송부와 되돌아오는 역방향이송부가 형성되도록 가이드롤러가 설치되는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조용 롤투롤 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 순방향이송부의 하방에 상기 역방향이송부가 배치되는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조용 롤투롤 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 스퍼터유닛은,
    상기 순방향이송부의 기판 상부면과 대향되도록 상기 단일챔버 상측부에 이격 설치되는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조용 롤투롤 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 이베퍼증착부는 상기 단일챔버의 하측부에 설치되어 상기 역방향이송부의 기판상에 상기 셀렌이 상향 증발되어 증착되게 하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조용 롤투롤 장치.
  6. 제1항, 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스퍼터유닛은 구리, 인듐, 갈륨 중 어느 하나 또는 둘 이상을 스퍼터타켓으로 하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조용 롤투롤 장치.
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